半导体雪崩光电二极管

固态光电倍增管

半导体雪崩光电二极管 (semiconductor avalanche photodiode )是具有内部光电流增益的半导体光电子器件，又称固态光电倍增管。它应用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。这种器件具有小型、灵敏、快速等优点，适用于以微弱光信号的探测和接收，在光纤通信、激光测距和其他光电转换数据处理等系统中应用较广。

工作原理

当一个半导体二极管加上足够高的反向偏压时，在耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增。人们最初在研究半导体二极管的反向击穿机构时发现了这种现象。当载流子的雪崩增益非常高时，二极管进入雪崩击穿状态；在此以前，只要耗尽层中的电场足以引起碰撞电离，则通过耗尽层的载流子就会具有某个平均的雪崩倍增值。

碰撞电离效应也可以引起光生载流子的雪崩倍增，从而使半导体光电二极管具有内部的光电流增益。1953年，K.G.麦克凯和K.B.麦卡菲报道锗和硅的PN结在接近击穿时的光电流倍增现象。1955年，S.L.密勒指出在突变PN结中，载流子的倍增因子M随反向偏压V的变化可以近似用下列经验公式表示

M=1/[1-(V/VB)n]

式中VB是体击穿电压,n是一个与材料性质及注入载流子的类型有关的指数。当外加偏压非常接近于体击穿电压时，二极管获得很高的光电流增益。PN结在任何小的局部区域的提前击穿都会使二极管的使用受到限制，因而只有当一个实际的器件在整个PN结面上是高度均匀时，才能获得高的有用的平均光电流增益。因此，从工作状态来说，雪崩光电二极管实际上是工作于接近（但没有达到）雪崩击穿状态的、高度均匀的半导体光电二极管。

雪崩二极管发明

1965年，K.M.约翰逊及L.K.安德森等分别报道了在微波频率下仍然具有相当高光电流增益的、均匀击穿的半导体雪崩光电二极管。从此，雪崩光电二极管作为一种新型、高速、灵敏的固态光电探测器件渐渐受到重视。

性能良好的雪崩光电二极管的光电流平均增益嚔可以达到几十、几百倍甚至更大。半导体中两种载流子的碰撞离化能力可能不同，因而使具有较高离化能力的载流子注入到耗尽区有利于在相同的电场条件下获得较高的雪崩倍增。但是，光电流的这种雪崩倍增并不是绝对理想的。一方面，由于嚔随注入光强的增加而下降，使雪崩光电二极管的线性范围受到一定的限制，另一方面更重要的是，由于载流子的碰撞电离是一种随机的过程，亦即每一个别的载流子在耗尽层内所获得的雪崩增益可以有很广泛的几率分布,因而倍增后的光电流I比倍增前的光电流I0有更大的随机起伏，即光电流中的噪声有附加的增加。与真空光电倍增管相比，由于半导体中两种载流子都具有离化能力，使得这种起伏更为严重。一般将光电流中的均方噪声电流〈i戬〉表示为

〈i戬〉=2qI0嚔2F(嚔)B

式中q为电子电荷,B为器件工作带宽，F(嚔)表示雪崩倍增过程所引起噪声的增加，称为过剩噪声因子。一般情况下,F随嚔的变化情况相当复杂。有时为简单起见，近似地将F表示为F=嚔x,x称为过剩噪声指数。F或x是雪崩光电二极管的重要参数。

由于F大于1，并随嚔的增加而增加，因而只有当一个接收系统（包括探测器件即雪崩光电二极管、负载电阻和前置放大器）的噪声主要由负载电阻及放大器的热噪声所决定时，提高雪崩增益嚔可以有效地提高系统的信噪比，从而使系统的探测性能获得改善；相反，当系统的噪声主要由光电流的噪声决定时，增加嚔就不再能使系统的性能改善。这里起主要作用的是过剩噪声因子F的大小。为获得较小的F值，应采用两种载流子离化能力相差大的材料，使具有较高离化能力的载流子注入到耗尽层，并合理设计器件结构。

影响响应速度因素

载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程所需的时间越长。因而，雪崩倍增过程要受到“增益-带宽积”的限制。在高雪崩增益情况下,这种限制可能成为影响雪崩光电二极管响应速度的主要因素之一。但在适中的增益下，与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往不起主要作用，因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应速度。现代雪崩光电二极管增益-带宽积已达几百吉赫。

与一般的半导体光电二极管一样，雪崩光电二极管的光谱灵敏范围主要取决于半导体材料的禁带宽度。制备雪崩光电二极管的材料有硅、锗、砷化镓和磷化铟等Ⅲ-Ⅴ族化合物及其三元、四元固熔体。根据形成耗尽层方法的不同,雪崩光电二极管有PN结型(同质的或异质结构的PN结。其中又有一般的PN结、PIN结及诸如 N+PπP+结等特殊的结构)、金属半导体肖特基势垒型和金属-氧化物-半导体结构等。

优点

与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小型、不需要高压电源等优点，因而更适于实际应用；与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点，特别当系统带宽比较大时，能使系统的探测性能获得大的改善。

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